全球锂电池封装技术发展历程与区域差异分析

编者按：本文来自微信公众号清流资本（ID：CrystalstreamCapital），作者：陶凯、茆雨豪，微新创想经授权发布。全球锂电芯的封装形态演变是研究动力电池发展史极具洞察力的切入点。历经30年的行业演进，全球封装形态呈现出显著的区域差异：中国以综合性能更优的方形电池为主导，辅以软包和圆柱电池，电芯总产能位居全球首位；美国车企则偏爱圆柱和软包电池，其中圆柱电池得益于特斯拉在美国超过70%的市场占有率而占据主导，底特律汽车三大则坚持采用能量密度更高的软包电池；欧洲以软包电池为主流，方形电池次之，纯电车型普遍采用长续航软包电池，而德系车企更青睐更符合车规级的方形电池。为何全球不同地区选择了不同的电池封装技术路线？不同技术路线各有利弊，如今的技术格局很大程度上源于历史因素——三种封装形态在成熟度与创新加速度上存在差异，影响了各区域主机厂和电池厂在不同历史阶段的技术路线选择。接下来，我们将追溯锂电池封装形态的发展历程，探寻其背后的历史逻辑。本文内容丰富，阅读需时约30分钟。• 圆柱电池的开创者——索尼的辉煌与遗憾• 日本电池厂商的内卷竞争——松下的崛起与挑战• 特斯拉的引领作用——圆柱电池的辉煌与变革• 松下与特斯拉的紧密合作——广场协议后的合作新篇章• 软包和方形电池的反击——中韩企业的强势崛起• 软包电池的快速扩张——占据全球市场三分之一份额• 马斯克的战略转变——圆柱电池的“大”反攻与软包电池的挑战• “宁王”的强势崛起——方形电池的全面领先• 中国特色动力电池发展路线——从公交大巴到电动汽车• 4680电池的变革潜力——电池行业的新变局圆柱电池的开创者，索尼的辉煌与遗憾圆柱锂电池拥有悠久的历史，其采用的卷绕工艺最为成熟，具有成本低廉、安全性高、散热性好等优势。圆柱电池的内部结构类似于驴打滚，千张卷盘踞在外壳之内，这种同心圆式的卷绕工艺相比叠片等其他工艺流程更为简洁，易于实现标准化和自动化，加工成本低，电芯产品一致性高。此外，圆柱单体间的空隙带来了极佳的散热性，进一步提升了安全系数。追溯圆柱电池的应用历史，早在1973年，世界上首款移动手机——美国摩托罗拉的DynaTAC 8000X就采用了6节圆柱形态的镍镉电池。然而，受限于材料体系，这款电池充电耗时10小时，仅能通话30分钟，因此研究者们一直在探索新一代的锂离子电池。1980年，牛津大学的“锂电池之父”约翰·古德纳夫及其团队突破性地发现了钴酸锂正极材料，这种钴和锂的金属氧化物可以在4伏的电压下支持半数的锂离子脱出而不坍塌，成为当时性能领先的正极方案。但受限于负极采用锂金属的锂枝晶和粉末化问题，锂电池一直没有大规模商业化。直至1991年，索尼发布了人类历史上首款商用锂离子电池，通过成熟的卷绕工艺形成了18650圆柱电芯，能量密度达到80Wh/kg，约为当时镍氢电池的2倍。这一发明背后，来自索尼技术合作方旭化成公司的吉野彰（Akira Yoshino）功不可没。他在1985年开创性地使用石墨代替锂金属作为负极，搭配古德纳夫的钴酸锂正极，从根本上改善了锂电池的循环寿命问题。圆柱钢壳包裹锂过渡金属氧化物和石墨分别作为正负极材料的组合初具雏形，吉野彰和古德纳夫也因此于2019年共同获得了诺贝尔化学奖。至于最后确定直径18mm、长度65mm的圆柱电芯规格18650，则具有一定的偶然性。当时这款电池最初是为索尼自家的手持摄像机量身打造的，如果做成5号电池（14500），容量不足；如果做成2号电池（26500），尺寸又太大，因此18650就这样被“妥协”出来了。随后，索尼这款18650钴酸锂电池迅速应用于全球随身听、摄像机、相机、手机、笔记本电脑等各类便携设备中。1994年，索尼成为最大笔记本生产商戴尔的电池供应商。早于1997年，索尼就与日产汽车进行了车载锂电池的合作，帮助日产制造出世界上首款使用圆柱锂离子电池的纯电车型Prairie Joy EV，续航可达200公里，最高时速120公里/小时，用于日本北极观测科研任务。Prairie EV曾连续6年承担日本国家北极考察队从基地研究站到城镇、机场的日常运输重任，且在没有日产汽车提供技术支持或维护的情况下，未出现任何故障。然而，由于高昂的BOM成本和充电基建投资强度，日产没有信心将其投放到C端市场，仅限于车队to B销售，从1997年起向各个实体出售了大约30台车。遗憾的是，索尼随后在战略上否定了汽车动力电池领域，直至2016年才重新正式宣布进入车用锂电池领域，错过了动力锂电池跑马圈地的时代。由于智能手机时代以圆柱为主的索尼逐步落后于以ATL（宁德新能源科技有限公司）为代表的中国3C软包电池厂商，索尼锂电池业务陷入亏损，最终2016年底索尼将电池业务仅以11亿人民币的价格出售给了村田，可谓起了大早，却赶了晚集。搭载索尼圆柱电池的日产Prairie Joy EV日本电池厂商的内卷竞争，松下的崛起与挑战索尼开创了圆柱电池，但真正将其在动力电池领域发扬光大的则是他的老对手松下。松下紧随索尼之后的1994年完成了对18650圆柱电池的开发，并积极进入动力电池界。相比于索尼与日产对纯电车型的坚持，松下更具产业化角度的实用主义战略眼光，选择了过渡形态的油电混合动力路线进行弯道超车——与混动鼻祖丰田公司结成战略合作伙伴，1996年松下和丰田成立合资电池公司Primearth EV Energy (PEVE)。随后，丰田于1997年推出了世界上首款真正意义上大规模生产的混合动力车款丰田普锐斯Prius Hybrid，混合油电双引擎与行星齿轮系统后搭载了松下1.73kWh的圆柱镍氢电池，镍氢当时较锂离子电池更具稳定性。Prius这款车平均油耗仅为3.6L/100km，大幅低于当时油车新款8L/100km的油耗，油耗表现出众，因此尽管外观设计保守平庸，但仍在欧美市场获得了不错的接受度，最终Prius一代全球销量突破了12万辆。然而，由于Prius一代近17000美金的定价远远无法覆盖其约32000美金的BOM成本，这款一代车最终于2003年停产。搭载1.7kWh容量松下18650圆柱镍氢电池的丰田一代Prius Hybrid美中不足的是，混动车型Prius一代良好的出货量并没有帮助松下站稳动力电池龙头地位。一是因为混动车型毕竟电池包带电量较低、单车不足2度电，12万台累计出货也仅有200MWh；二是因为混动产品多继承自油车平台，要求电池包能灵活设计来更好地匹配“油改电”后受限的车身空间，但圆柱电芯相对固定的尺寸标准和矩阵式排列方式难以满足对电池包规格和体积进行定制开发的要求，这也为后来软包和方形电芯的崛起埋下了伏笔。期间，松下也在努力尝试联同丰田积极推出纯电车型，1997年同年松下圆柱镍氢电芯也装机了丰田纯电SUV车型RAV4 EV，电池容量为27kWh，满电的续航里程可达190km。但这款纯电车型与日产当时预计的情形类似，市场反响较差，仅售出1484辆，其中只有328辆卖给了C端消费者，大头只能被租赁公司吃下。直到2003年RAV4 EV纯电车型停产，丰田重新把战略聚焦回混合动力车型上。但在松下角度如何进一步推动车载电池产业规模增长仍旧是一个难题。所幸，松下在2008年经济危机期间发现了产业整合机会，最终斥资46亿美金对日本同行三洋电机进行了控股权收购。三洋电机自1995年研发铝壳方形电芯后也兼具了18650圆柱电芯技术，当时位居锂电池份额世界第一，并且方形电芯相较圆柱电芯拥有高成组效率和空间灵活性、更适合对空间利用率要求高的混动车型，这也帮助三洋成功从松下手里拿下了丰田普锐斯二代新车型。松下也凭借这项收购成为了全球最大锂电池供应商，并重新抢回了丰田的订单。但命运的齿轮开始转动，这笔交易背后还藏着个更大的礼物——三洋电机正是特斯拉最初选定的锂电池供应商。搭载了53kWh容量松下18650圆柱钴酸锂电池的Tesla Roadster一代